超声波合成仪

超声波细胞破碎仪是利用一种超声波在液体中产生的空化效应而使目标细胞破碎的多功能、多用途的仪器。超声波细胞破碎仪的原理：由换能器将电能转换为超声能，超声能量作用于液体介质产生密集的空泡，随着空泡的生长破裂，产生巨大的剪切力及高温高压，从而起到将目标细胞破碎乳化的目的。超声波细胞破碎仪用途广泛：1、超声波提取生物纳米在超声波化学反应中，由空化效应产生的强压力脉冲，能够产生许多化学合成所要求的高温高压，超声波化学合成所利用的正是空化效应的能量，利用这些能量能在一些特殊粉末表面合成出需要的纳米粒子。 2、超声波制药（1）注射用药的细化、均化——将磷脂类与胆固醇混合用适当方法与药物混合在水溶液中，经超声细化、均化得到更小的利于静脉注射的微小药物粒子。（2）中草药提取——利用超声分散破坏植物组织，加速溶剂穿透组织作用，提高中草药有效成分提取率。如金鸡纳树皮中全部生物碱用一般方法侵出需5小时以上，采用超声分散只要半小时即可完成。（3）制备混悬剂——在超声空化和强烈搅拌下，将一种固体药物分散在含有表面活性剂的水溶液中，可以形成1um左右口服或静脉注射混悬剂。例如“静注喜树碱混悬剂”、“肝脏造影剂”、“硫酸钡混悬剂”等。（4）疫苗制备——将细胞或病菌借助于超声作用将其杀死以后，再用适当方法制成疫苗。 3、超声波对化妆品的分散为了更进一步提取药物精华和粒子微细化，并节约生产成本，达到分散、乳化效果，使化妆品更深入渗透到肌肤里层，让肌肤很好的吸收，发挥药物的效力和作用，采用超声波乳化可达到非常理想的效果。 4、超声波对酒的醇化酒味醇厚的主要影响因素是酸的形成、酯化。刚出厂的白酒含有戍醇，有辛辣味，传统制造时，这种气味要经过很长时间贮藏才能使酒味变醇。而利用超声波处理的白酒可使酒的老熟时间缩短1/3到1/2。超声波细胞破碎仪可以并且已经被广泛用于生物化学、微生物学药理学、物理学、动物学、农学、医学、制药等领域的教学、科研、生产。

超声波的清洗作用是一个十分复杂的过程，在这里只做一简单介绍。超声波作用包括超声波本身具有的能量作用，空穴破坏时放出的能量作用以及超声波对媒液的搅拌流动作用等。1超声波的能量作用：超声波具有很高的能量，它在传媒液体中传播时，把能量传递给传媒质点，传媒质点再将能量传递到清洗对象物表面并造成污垢解离分散。声波是一种纵波，即传媒质点的振动方向与波的传播方向一致。在纵波传播过程中，传媒质点运动造成质点分布不匀，出现疏密不同的区域，在质点分布稀疏区域声波形成负声压，在分布致密区域声波形成正声压，并形成负声压、正声压的交替连续变化，这种变化不仅使传媒质点获得一定动能而且获得一定加速度。高频超声波的能量作用是异常巨大的。在具有能量的传媒质点与污垢粒子相互作用时，把能量传递给污垢并造成它们的解离分散。2空穴破坏时释放的能量作用：超声波与通常声波一样在媒液中传播是直线运动方式。运动速度与媒液有关，在不同媒液中传播速度不同，超声波的频率比通常的声波频率高，所以波长短，能量高。在媒液中直线前进的超声波，到达与其它物质的界面时，要发生透射和反射运动，发生透射与反射的程度是由构成界面物质的声阻抗率决定的，声阻抗率是传声媒质某一给定表面的声压与质点速度之比。各种传声媒质都有固定的声阻抗率。当超声波行进到声阻抗率相差很大的两种媒质的界面时，主要发生反射，而在声阻抗率相近的两种媒质的界面上主要发生透射。如当超声波行进到水－空气界面时，由于空气密度远小于水，因此声阻抗率也相差较远，所以此时声波主要发生反射；同样超声波行进到水－钢铁界面时，由于两种媒质之间声阻抗率相差很大，所以主要也发生反射。而当超声波行进到水－塑料界面时，由于两种媒质之间声阻抗率相近，所以超声波主要发生透射。反射回来的超声波与前进中的超声波合成后，当每一点的位相差保持稳定不变时，发生共振，而在某些固定位置上相互叠加而加强，媒液在这些位置上容易产生空穴。由于超声波以正压和负压重复交替变化的方式向前传播，负压时在媒液中造成微小的真空洞穴，这时溶解在媒液中的气体会很快进入空穴并形成气泡；而在正压阶段，空穴气泡被绝热压缩，最后被压破，在气泡破裂的瞬间对空穴周围会形成巨大的冲击，使空穴附近的液体或固体都会受到上千个大气压的高压。放出巨大的能量。这种现象在低频率范围的超声波领域激烈地产生。当空穴突然爆破时，能把物体表面的污垢薄膜击破而达到去污的目的。当使用的超声波频率在28～100khz范围内时，超声波的几种作用都存在。而空穴消失过程产生的巨大压力作用十分突出。当使用的超声波频率在特高频率范围时，超声波的作用主要是其本身巨大的能量作用，并不产生空穴，但这种巨大的能量对细微污垢的去除清洗作用很大。另外超声波不仅有帮助媒液加快溶解污垢的作用，而且也起到搅拌作用，使媒液发生运动，新鲜媒液不断作用于污垢加速溶解。所以超声波强大的冲击力如果作用发挥适当的话，可促使顽固附着的污垢解离，而且清洗力不均匀的情况得以避免。但由于超声波使用过程中存在对清洗对象造成损伤的可能性，所以当清洗对象很脆弱的情况不宜采用超声波清洗。洗涤媒液的选择超声波清洗都是以一定的液体作为媒质的条件下进行的，选择媒液是以能充分发挥超声波的作用达到去污目的为原则的。由于水是产生空穴效果最好的液体，通常用清水作媒液，用量不很大，也不需要采用喷射或搅拌的方法来使水剧烈流动。但由于清水对油性污垢的分散解离能力较差，因此实际上常采用表面活性剂或酸碱水溶液作超声波清洗的媒液。由于各种亲水性或亲油性有机溶剂产生空穴效果的能力比水差，所以如果用这些有机溶剂作媒液，实际上要靠它们对污垢的溶解分散能力作补充才能有效地去除污垢。而且有机溶剂往往存在易然、易爆和有毒的问题，因此通常总是用水作媒液。用超声波清洗应注意的问题在一定条件下用超声波清洗才能过得较好效果，因此需要注意以下问题。1克服空穴产生的不均匀性：前已述及空穴是沿着最大声压带不均匀地产生的。当清洗对象在洗液中处于静置状态时，就会由于空穴产生的不均匀造成清洗的不均匀现象。通常为克服这种现象的发生，常采用以下方法：①移动清洗对象：当清洗对象在洗槽中移动时，空穴能较均匀地作用于对象的表面，最常用的方法是让清洗对象发生旋转，当物体位于空穴最大声压带垂直相交的平面上清洗效果比较专一。②改变洗液深度：当洗槽液面上下变动时，空穴最大声压带的位置也发生相应变化可以克服不均匀性。③形成矩形波形：把几种不同波长的超声波合成在一起，所产生的超声驻波，最大声压带范围扩大，可以克服不均性。④防止共振波的生成：如果使液面与清洗对象表面不相互垂直，可防止在清洗对象表面发生受迫振动并形成共振波。这样，一方面可减少清洗不匀，同时也可避免清洗对象损伤。2克服由于超声波被反射而造成的效果不均匀性：当超声波反射发生在清洗对象内侧的表面，金属管道的内表面，金属物品深陷处的凹面以及碰到金属网做的清洗物容器时，都会妨碍超声波的透过而造成超声波作用的不均匀，这是超声波清洗中常出现的问题。3空穴作用造成的清洗对象的损伤：空穴作用有可能使清洗对象损伤，性能变得脆弱。另外，在用超声波处理锐利的刀具的刀刃、电子机械上用的极薄的金属片时，由于空穴作用造成破损的事情是经常发生的，而且是频率越低的超声波空穴作用强度越大。因此在使用超声波清洗时，对清洗对象的形状、材料的性质都要考虑到。只有选择适当的超声波频率，采用适当的使用方法才能取得好的清洗效果。

电化学是从研究电能与化学能的相互转换开始形成的。随着科学技术的发展,特别是能源、计算机、新材料和生物技术的发展,电化学学科获得了进一步的发展与提高[1]。电化学是一门重要的边沿科学,与其它学科如电子学、固体物理学、生物学等学科有密切的联系,出现了电分析化学、催化电化学、量子电化学、半导体电化学、腐蚀电化学、生物电化学等分支。　　 超声波是指频率范围在20～106kHz的机械波,波速一般约为1500m/s,波长为10～0.01cm。超声波化学又称声化学,主要是指利用超声能量加速和控制化学反应,提高反应产率和引发新的化学反应,是声学与化学相互交叉渗透而发展起来的一门新兴的边缘学科,是声学和化学的前沿学科之一。超声化学的主要研究领域包括超声电化学、超声合成化学和超声高聚物化学等。　　 超声电化学将超声辐照与电化学方法相结合,兼有两者的优点。它可以通过控制电流的大小、反应温度的高低、超声功率的强弱等各种参数达到控制纳米材料的尺寸和形状的目的。最近以来,科学家发现超声电化学是一种高效的合成纳米材料的新方法,已合成Zn、Cu、Cu-Zn、Ni-Fe等金属及合金纳米粒子。Reisse和他的合作者在1995年首次用超声电化学的技术制备了金属超细粒子,用这种技术他们也合成了MnO2和CdTe。Gedanken课题组用这种方法合成了MoS2纳米材料。朱俊杰等制备了Pb-Se和各种形态的银纳米粒子(包括球形、棒状、枝晶、纳米线)。Mastai等用脉冲电化学法合成CdSe纳米粒子。这种方法可有效地控制材料尺寸和形状、加速传质、提高反应速率、清洁电极表面。由于该方法简单、快速、无污染,已成为合成纳米材料的一种有效手段。近年来,超声波诱导电化学反应研究发展很快,已成为超声化学和电化学的前沿研究领域之一。1 　　 超声波作用原理　　 超声波的波长远大于分子尺寸,它不能直接对分子起作用,而是通过周围环境的物理作用转而影响分子,所以超声波的作用与其作用的环境密切相关。超声波是由一系列疏密相间的纵波构成的,并通过液体介质向四周传播。超声波在介质中传播时的平均声功率可以由下式计算:　　 W=1/2ρCV2S=1/2PAV0S式中:W是声波在介质中传播时的平均声功率,w ρ是介质的密度,kg/m3 C是声波在介质中的传播速度,m/s V是介质质点的振动速度,m/s S是垂直于声波传播方向的介质面积,m2 PA是交变声压幅值,Pa V0是介质的体积,m3。由此式可知,超声波具有比普通声波强大得多的功率,这就是超声波在众多领域中能够获得广泛应用的重要原因之一。超声波在液体介质中的巨大能量能使介质质点获得很大的加速度,还能引起空化作用。超声空化是指在声波作用下,存在于液体中的微小气泡(空穴)所发生的一系列动力学过程:振荡、扩大、收缩乃至崩溃。声空化过程是集中声场能量并迅速释放的过程。空化气泡的寿命约0.1μs,它在爆炸时可释放出巨大的能量,并产生速度约110m/s,具有强烈冲击力的微射流,使碰撞密度高达1.5kg/s。空化气泡在爆炸的瞬间产生约4000K和100Mpa的局部高温高压环境,冷却速度可达109K/s。超声波的空化作用和传统搅拌技术相比更容易实现介质均匀混合,消除局部浓度不均匀,提高反应速度,刺激新相的形成,对团聚体还可以起到剪切作用。超声空化是许多超声波应用的物理基础,特别是声化学反应的主动力。2 　　 超声波作用类型　　　　 超声辐照作为一种辅助实验手段,大体可分为两种类型:直接超声和间接超声。两种类型装置各有优缺点。2.1 　　 直接超声此类型反应器为探针系统,亦称为号角系统,也称变幅杆式声化学反应器。这种设备是将超声换能器驱动的变幅杆的发射端(也称探头),直接浸入反应液体中,使声能直接进入反应体系,而不必通过清洗槽的反应器壁进行传递。其优点是能够将大量的能量直接输送到反应介质,通过改变输送到换能器的幅度加以调制。其缺点是探针尖的侵蚀和凹陷,使反应溶液污染。2.2 　　 间接超声　　此类型反应器为超声浴槽,主要用于清洗反应器皿和电极等。经典的超声浴槽将换能器附接在浴底,也可将换能器浸在浴槽中。超声浴槽比较方便和廉价,广泛应用于超声化学研究中。与直接超声相比,使用间接超声到达反应器皿的超声功率相对较小。此外,由于到达反应介质的功率在很大程度上依赖于样品在浴槽中所放的位置,所以实验重现性差。使用浴槽体系的另一个缺点是反应器皿周围的流体的耦合使温度增加,使保持等温条件困难。3 　　 超声波对电化学反应的影响　　 在应用电化学领域,超声波在电有机合成、电化学分析、有毒化合物的降解和废水处理等方面有着广泛的应用前景。一般认为,超声波对电化学反应的影响主要有以下几个方面:1)通过超声空化微射流形成对溶液的强烈搅拌作用,从而提高电极表面的传质速率 2)由于空化产生的瞬间高温高压而使反应物分解成活性较高的自由基 3)改变反应物在电极表面的吸附过程 4)空化泡崩溃产生的微射流对电极表面形成连续的现场活化。由于超声波能够强化电化学的传质过程,提高电极电流的响应效果,因此在微量组分的分析方面可以提高其检测范围。